Diseño e implementación de una fuente de frecuencia de banda L basada en bucle de bloqueo de fase*_Frecuencia de banda L

La fuente de frecuencia proporciona frecuencia de referencia y base de reloj para el sistema electrónico. Es el corazón del sistema electrónico y juega un papel decisivo en los indicadores de rendimiento de todo el sistema. Las fuentes de frecuencia de microondas tienen aplicaciones sumamente importantes en comunicaciones, radares, navegación, mediciones, etc. Su rendimiento de ruido de fase y supresión de espurias afecta directamente el rendimiento de todo el sistema. Por lo tanto, las fuentes de frecuencia con bajo ruido de fase, alta pureza espectral y alta estabilidad serán la principal tendencia de desarrollo, y las fuentes de frecuencia implementadas utilizando bucles de bloqueo de fase pueden cumplir con este requisito. Con la mejora de la integración del chip, los detectores de frecuencia/fase, las bombas de carga y los divisores de frecuencia se pueden integrar en un chip. Algunos incluso integran osciladores controlados por voltaje. Los diseñadores solo necesitan diseñar filtros de bucle basados ​​en un bucle de bloqueo de fase. Esto simplifica enormemente el proceso de diseño y la estructura del circuito.

Principios básicos del circuito de bloqueo de fase de la bomba de carga

El circuito de bloqueo de fase de la bomba de carga (CPPLL) se compone de un detector de frecuencia/fase (PFD), una bomba de carga (CP), un circuito filtro Está compuesto por módulos como LF (LF) y Oscilador controlado por voltaje (VCO) [1 ~ 2]. Su diagrama de bloques estructural se muestra en la Figura 1.

El bucle de bloqueo de fase es un sistema de retroalimentación que compara la diferencia de fase entre la señal de entrada y la señal de retroalimentación a través de un detector de fase para obtener una corriente de error que es aproximadamente lineal con la diferencia de fase. Después de que el filtro de bucle integra la corriente de error, se obtiene un voltaje de error para controlar la frecuencia requerida por la salida del oscilador controlado por voltaje, bloqueando así el bucle de bloqueo de fase. Una bomba de carga consta de dos fuentes de corriente conmutadas que accionan un condensador. El bucle de bloqueo de fase de la bomba de carga tiene dos ventajas sobresalientes: (1) el rango de captura está determinado únicamente por la frecuencia de salida del oscilador controlado por voltaje (2) si se ignoran el desajuste y la desviación, el error de fase estática es cero;

Principales indicadores técnicos del bucle de bloqueo de fase

Ruido de fase

El bucle de bloqueo de fase es un circuito que procesa señales de fase, por lo que se ve fácilmente afectado por la fase. ruido (en el dominio del tiempo, a esto corresponde el impacto de la fluctuación del reloj). Las principales fuentes de ruido de fase incluyen osciladores de cristal de referencia, divisores de frecuencia, detectores de frecuencia/fase y osciladores controlados por voltaje [3]. El ruido de fase dentro de la banda está determinado principalmente por el oscilador de cristal de referencia, el divisor de frecuencia y el detector de frecuencia/fase; el ruido de fase fuera de la banda está determinado principalmente por el oscilador controlado por voltaje. Es decir, el bucle bloqueado en fase exhibe características de paso bajo para el ruido del oscilador de cristal de referencia, el divisor de frecuencia y el detector de frecuencia/fase; exhibe características de paso alto para el ruido del oscilador controlado por voltaje; El ruido de fase se puede reducir aumentando la frecuencia de detección de fase y reduciendo el ancho de banda del bucle. El ruido de fase se puede estimar mediante la ecuación (1).

= (1)

Donde 1HzPN es el piso de ruido normalizado de 1Hz y PFDF es la frecuencia de identificación de fase.

Espolones

Los espolones son causados ​​por factores como la no linealidad del dispositivo y la radiación de microondas. El estímulo más importante en el bucle de bloqueo de fase es el estímulo de referencia, que es causado por factores como la falta de coincidencia entre las corrientes de fuente y sumidero de la bomba de carga, fugas de la bomba de carga y desacoplamiento insuficiente del suministro de energía. Cuando la frecuencia de identificación de fase es relativamente baja, dominan las espuelas causadas por la fuga de la bomba de carga; cuando la frecuencia de identificación de fase es relativamente alta, dominan las espuelas causadas por el desajuste entre la corriente de fuente y la corriente de sumidero de la bomba de carga. Generalmente, el límite entre las frecuencias de detección de fase alta y baja es de aproximadamente 100 kHz a 200 kHz. Se pueden tomar las siguientes medidas para mejorar la supresión de espurias: (1) Intente evitar o utilizar menos mezcladores, (2) Agregue aislamiento metálico al mezclador, (3) Buena conexión a tierra.

Estabilidad

Cuando la interferencia externa ingresa al circuito, el error de fase del bucle de bloqueo de fase se desviará del estado de equilibrio original. Cuando la interferencia desaparece, si el bucle puede volver a él. su estado de equilibrio original, entonces dicho bucle de fase bloqueada es estable. El margen de fase se utiliza comúnmente en ingeniería para medir la estabilidad del bucle. Cuanto mayor sea el margen de fase, más estable será el bucle, pero un margen de fase grande alargará el proceso de transición de la respuesta del sistema. Generalmente, el margen de fase se establece entre 45° y 55°, y el ancho de banda del bucle se establece entre 1/10 y 1/20 de la frecuencia de detección de fase. De esta manera, el bucle bloqueado en fase es fácil de bloquear y el bucle es estable.

Implementación del circuito

La fuente de frecuencia puntual de 1,42 GHz diseñada en este artículo proporciona el oscilador local para un receptor superheterodino. Su diagrama de bloques funcional se muestra en la Figura 2 [4~5].

El material de la placa PCB elegido es el RO4003C de ROGERS. La placa tiene una constante dieléctrica de 3,38, una tangente de pérdida de 0,0027 y un espesor de 0,508 mm. La placa PCB es más delgada y puede reducir el tamaño del circuito.

El chip utilizado en el oscilador de cristal de 2 0 MHz es CFPT-9007. Este oscilador de cristal tiene las características de alta estabilidad y bajo ruido de fase. El ruido de fase del oscilador de cristal es -135dBc/Hz@1kHz, y su contribución teórica al ruido de fase del sistema es:

El chip detector de fase utiliza el chip ADF4106 de ADI, que integra un divisor de frecuencia, módulos como como detectores digitales de frecuencia/fase y bombas de carga tienen un amplio ancho de banda operativo (0 ~ 6 GHz), bajo ruido de fase y un amplio rango de temperatura operativa. El piso de ruido de fase normalizado del ADF4106 es de aproximadamente -219 dBc/Hz. A partir de la ecuación (1), se puede calcular que la contribución del ruido de fase del detector de frecuencia/fase al sistema es de -109 dBc/Hz. Se puede ver que el ruido de fase de todo el circuito de bucle bloqueado de fase es teóricamente cercano a -98 dBc/Hz@1kHz.

El oscilador controlado por voltaje es V585ME48-LF de Z-Communications. El rango de frecuencia de salida de este oscilador controlado por voltaje es de 950 MHz ~ 2050 MHz, el voltaje de la fuente de alimentación es de 10 V y la sensibilidad del control de voltaje es de 81 MHz/V. , el ruido de fase es -99dBc/Hz@10kHz, la potencia de salida es 2dBm y tiene buena supresión de espurias y armónicos. Cuando se genera una frecuencia de 1,42 GHz, el voltaje de sintonización requerido es de aproximadamente 5 V, por lo que el voltaje de suministro de energía a la bomba de carga del ADF4106 es de 5,5 V.

El filtro de bucle es una parte que los diseñadores pueden diseñar de manera flexible al diseñar un circuito de bucle de bloqueo de fase. La función del filtrado de bucle es filtrar los componentes de alta frecuencia y el ruido en el voltaje de error para garantizar el rendimiento requerido del bucle y aumentar la estabilidad del sistema. Este diseño utiliza filtrado pasivo de tercer orden, como se muestra en la Figura 3.

Los valores de resistencia y condensador en el filtro de bucle se pueden calcular manualmente. Para simplificar el proceso de diseño, se utiliza el software ADIsimPLL de la empresa AD para el cálculo. Ingrese los parámetros requeridos en la interfaz del software y los valores de los componentes se calcularán automáticamente. Con los ajustes apropiados al ancho de banda del bucle y al margen de fase, el circuito del bucle bloqueado en fase se bloqueará.

La unidad de microcontrolador (MCU) utiliza el microcontrolador PIC16F648A. El voltaje de funcionamiento es de 5 V, la velocidad es de hasta 20 MHz y hay dos puertos de 8 bits. Está conectado al ADF4106. Después del encendido, envía datos al chip detector de fase para controlar el contador R, el contador N y el pestillo de función dentro del chip detector de fase, de modo que se pueda bloquear el bucle de bloqueo de fase.

La señal de salida del oscilador controlado por voltaje también debe pasar por un atenuador y amplificador de tipo π para ajustar la potencia de salida y cumplir con los requisitos del sistema. Finalmente, se filtra para suprimir las espuelas y hacer que el espectro sea más puro.

Consideraciones de compatibilidad electromagnética

Para que un sistema tenga un buen rendimiento es muy importante considerar la compatibilidad electromagnética. Este diseño considera la compatibilidad electromagnética desde los siguientes aspectos.

Para tener una buena coincidencia, la impedancia característica de la línea de señal al dibujar el diseño de la PCB es de 50 Ω. Después del cálculo de ADS, su ancho es de 1,05 mm. La línea de señal y el pin del chip se conectan mediante una línea de microcinta de gradiente, que puede reducir la reflexión de la señal. La fuente de alimentación se conecta desde el exterior a través del condensador pasante, lo que puede evitar que señales de interferencia externas entren en el circuito. Para garantizar una buena conexión a tierra al extraer la plataforma de conexión a tierra, intente mantener el orificio de paso lo más cerca posible de la plataforma. La conexión a tierra es muy importante. Una buena conexión a tierra puede reducir eficazmente el ruido parásito. La conexión a tierra debe colocarse en el espacio libre de la placa PCB. La distancia entre la planta baja y la línea de señal debe ser mayor que el doble del grosor de la placa PCB, es decir, mayor que 1.016 mm, de modo que tendrá poco impacto en la impedancia característica de la línea de señal.

Las vías se perforan uniformemente en el borde del piso y el espacio entre las vías es menor que λg/20 (λg es la longitud de onda en el medio correspondiente a la frecuencia máxima de la señal del sistema). Las vías se perforan aleatoriamente en el medio. el suelo. Esto no sólo tiene buenas características de compatibilidad electromagnética, sino que también aumenta la resistencia mecánica de la placa PCB.

Resultados de la prueba

El objeto real producido se muestra en la Figura 4. El objeto real tiene una estructura compacta, tamaño pequeño y buen rendimiento.

Se utilizó el analizador de espectro Agilent E4407B para medir la potencia, el ruido de fase y la espuria de esta fuente de frecuencia. Los resultados se muestran en la Figura 5.

Conclusión

Este artículo proporciona un método para diseñar una fuente de frecuencia de banda L basada en un bucle de bloqueo de fase y produce un objeto real para demostrar la viabilidad de la solución. Mediante la depuración repetida del circuito, se optimiza el rendimiento. Después de la medición, el ruido de fase es: -80,4 dBc/Hz@1 kHz, la supresión espuria es mejor que -55 dBc y la potencia de salida es superior a 6 dBm, todos cumpliendo con los requisitos del índice. Además, la estructura del circuito es simple, de tamaño pequeño y tiene un rendimiento excelente, y puede usarse en circuitos reales para proporcionar un oscilador local para un receptor.

Referencias:

[1] Behzad Razavi. Microelectrónica de radiofrecuencia[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2006

[2] Zhang Juesheng, Cao. Lina. Tecnología de síntesis de frecuencia y bloqueo de fase[M]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China Press, 1995

[3]Analog Devices Inc. Preguntas frecuentes sobre bucles de bloqueo de fase[EB]. /OL].2003

[4] Lu Jibing, Yang Tao. Diseño de una fuente de frecuencia puntual de banda X y una unidad transceptora de banda S [D]. of China, 2011

[5] Ye Lina, Chen Hongsu, etc. .Desarrollo de una fuente de frecuencia de banda X basada en tecnología de bucle de bloqueo de fase[J] Journal of Microwaves, 2010, (8) : 311-313